Verfahren zur Herstellung integriert optischer Bauteile durch Ionenaustausch mit Gittermaske für Schichtwellenleiter

Abstract

 Verfahren zur Herstellung integriert optischer Bauelemente mit Streifenwellenleitern (11-15; 21-2M)) und einem Schichtwellenleiter (53), wobei eine Maske (4) mit Gitterstruktur (3i) zur Erzeugung des Schichtwellenleiters (53) durch Ionenaustausch dient. Geeignet zur Herstellung von Kopplern mit Freiraum mit geringer Dämpfung, insbesondere für Angereihte-Wellenleiter-Gitter-Multiplexer (arrayed waveguide grating multiplexer).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ein Verfahren zur Herstellung integriert optischer Bauelemente mit Streifenwellenleitern und einem Schichtwellenleiter. Der Oberbegriff des Anspruchs 2 definiert dies ähnlich.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung einen integriert optischen Sternkoppler mit ionenausgetauschten Streifenwellenleitern und einem ionenausgetauschten Freiraum, in den die Streifenwellenleiter übergehen, wie er im Oberbegriff des Anspruches 9 näher bezeichnet ist.

[0003] Integriert optische Bauteile dieser Art und ihre Herstellung sind besonders als Sternkoppler in Zusammenhang mit Angereihte-Wellenleiter-Gittern, kurz AWG, englisch Arrayed Waveguide Gratings, z.B. zum Aufbau von Multiplexern und Demultiplexern bekannt.

[0004] Beispiele dafür sind US 5,412,744 und US 5,414,548.

[0005] Die Herstellung integriert optischer Bauelemente mit vergrabenen Wellenleitern in Glas durch Ionenaustausch mit einer Maske ist z.B. aus WO 95/13553 bekannt. Dort ist auch die Herstellung eines Übergangs zwischen zwei verschieden tief vergrabenen Wellenleiters mittels einer diagonal angeschnittenen, den Wellenleiter nur teilweise freigebenden, Maske beschrieben.

[0006] Es besteht das Problem, daß bei Verwendung einer Maske, die den gewünschten Freiraum mit einem ausgedehnten Schichtwellenleiter einfach als Freiraum wiedergibt, das Brechzahlprofil in diesem Bereich tiefer wird als bei den schmalen Streifenwellenleitern, die daran anschließen. Dies ist wegen hoher Dämpfung nicht brauchbar.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Herstellverfahrens für und einer Bauform von integriert optischen Bauelementen mit vergrabenen Wellenleitern, bei denen Stegwellenleiter und ein als Schichtwellenleiter ausgebildeter Freiraum verlustarm zusammenwirken.

[0008] Das wird gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch erreicht, daß Ionenaustausch mit einer Maske erfolgt, die im Bereich des Freiraums eine Streifen- oder Gitterstruktur aufweist.

[0009] Damit wird das Kennzeichen des Sternkopplers gemäß Anspruch 9 erreicht, nachdem das Tiefenprofil des Freiraums im wesentlichen gleich ist dem Tiefenprofil der Streifenwellenleiter und höchstens die 1,2-fache Tiefe erreicht.

[0010] Es wurde erkannt, daß aufgrund der seitwärtigen Wanderung der Ionen, die zu der bekannten Verbreiterung und Unschärfe der Stegwellenleiter im Vergleich zu den Masken führt, die Tiefenwanderung bei schmalen Strukturen verlangsamt ist. Andererseits ergibt diese Verbreiterung die Möglichkeit, daß dicht nebeneinanderliegende Strukturen verschmelzen. Dies wird nun mit der Gittermaske zur Herstellung einer gleichmäßigen, nicht stärker vertieften breiten Struktur ausgenutzt.

[0011] Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Als Strukturmaterial ist Glas bevorzugt.

[0012] Bevorzugt findet die Erfindung nach Anspruch 4 Anwendung bei Anordnungen bei denen die Breite der Maskenöffnungen der Streifenwellenleiter unter 3, vorzugsweise bei 1,5 bis 2,1 Mikrometern liegt. Bei wesentlich breiteren Maskenöffnungen tritt der Verbreiterungseffekt und die daraus folgende Verlangsamung der Tiefenwanderung als Randeffekt zurück, im Freiraum sind dann die Verhältnisse nicht mehr so stark verschieden.

[0013] Die schmalen Strukturen im angegebenen Breitenbereich sind aber für eine hohe Integration der integriert optischen Bauelemente bevorzugt und ergeben auch geeignete Moden der Wellenleitung.

[0014] Anspruch 5 gibt ein Maß für die Größe des Freiraums. Zwischen die Enden der Maskenöffnungen der Streifenwellenleiter paßt demnach mindestens ein Kreis mit einem Durchmesser von mehr als dem Vierfachen der Breite der Maskenöffnungen. Damit ist ein deutlicher Unterschied zu einem adiabatischen 2 x 2-Koppler, etwa nach DE 43 31 611 gegeben. Normalerweise ist der Kreisdurchmesser um ein bis drei Größenordnungen größer als die Breite der Maskenöffnungen.

[0015] Anspruch 6 gibt die bevorzugte Verwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Multiplexer/Demultiplexer-Einheiten mit AWG (Arrayed Waveguide Grating), die Sternkoppler mit Freiräumen aufweisen, an. Hier besteht ein konkreter Bedarf für dieses Verfahren.

[0016] Die Ansprüche 7 und 8 betreffen die Ausführung der Gittermaske im Bereich des Freiraumes. Am besten wird die gleiche Breite der Maskenöffnungen wie im Bereich des Streifenwellenleiters verwendet. Dies ist leicht herstellbar und gibt das bestangepaßte Ionenaustauschverhalten. Abweichende Breiten der Maskenöffnungen sind aber auch brauchbar. Der Mittenabstand der Maskenöffnungen beträgt das Zwei- bis etwa das Achtfache der Breite der Öffnungen. Darunter ist der Unterschied zur Maske mit einfachem Freiraum zu gering, darüber wird der untere Grenzbereich des Schichtwellenleiters wieder wellig strukturiert, wobei die Breite der Maskenöffnungen eine Rolle spielt. Am besten ist der Bereich vom sechs- bis siebenfachen. Die Richtung der Gitterlinien ist nicht notwendig auf die Geometrie der angeschlossenen Stegwellenleiter ausgerichtet. Die gezielte Ausnutzung dieser Richtung und der Restwelligkeit im unteren Grenzbereich und an den seitlichen Rändern und Übergängen zu den Streifenwellenleitern eröffnet jedoch Möglichkeiten für Feinabstimmungen.

[0017] Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.

Figur 1

zeigt schematisch in Aufsicht Maske und Wellenleiter eines N x M-Sternkopplers mit Freiraum gemäß der Erfindung;

Figur 2a

zeigt im Querschnitt dasselbe im Bereich eines Eingangswellenleiters;

Figur 2b

zeigt im Querschnitt dasselbe im Bereich des Freiraums;

Figur 2c

zeigt im Vergleich dasselbe wie Figur 2b bei in diesem Bereich unstrukturierter Maske;

Figur 3

zeigt einen N x M-Sternkoppler mit Angereihte-Wellenleiter-Gitter und erfindungsgemäß hergestellten Freiräumen.

[0018] In Figur 1 ist mit durchgezogenen Linien die Struktur einer Maske gezeigt, wie sie zum Ionenaustauschprozeß auf dem Substrat angeordnet ist. Sie besteht aus einer aufgedampften und photolithographisch strukturierten Metallschicht (Chrom). Es ist ein qualitatives Beispiel dargestellt, um die wichtigen Eigenschaften zu zeigen. Links ist eine Anzahl N = 5 an Eingangswellenleitern 11, 12, 13, 14, 15 vorgesehen. Die freie Stegbreite w_F beträgt typisch 1,5 bis 1,6 µm.

[0019] Die rechts abgehenden M Stück Ausgangswellenleiter 21, 22 ... 2M haben im Beispiel die gleiche Stegbreite w der Maske. Diese Ausgangswellenleiter können beispielsweise die Elemente eines Angereihte-Wellenleiter-Gitters AWG sein. Der Abstand der Ausgangswellenleiter (21, ..., 2M) beträgt typischerweise d = 20 - 25 µm.

[0020] Zwischen Eingangs- (11-15) und Ausgangswellenleitern (21, ..., 2M) erfolgt die Verbindung durch einen Freiraum 3, der auf der Maske als ein Muster paralleler Streifen 31, 32, ..., 3i ausgebildet ist. Die Stegbreite w_F der Streifen 31-3i ist gleich der Stegbreite w der Eingangs- und Ausgangswellenleiter (11-15; 21-2M). Der Mittenabstand d - die Periode - der Streifen 31-3i liegt bei 8 bis 12 µm bei w_F = 1,5 µm, bevorzugt oberhalb 9 µm. Das ist das Fünf- bis Achtfache der Stegbreite w_F. Bei einem Mittenabstand von 15 µm zeigt sich eine deutlich wellige, die einzelnen Streifen wiedergebende Struktur des erzeugten Wellenleiter-Brechzahlprofils.

[0021] Die mit dieser Maske durch Ionenaustausch in Glas erzeugte Wellenleiter-Struktur ist gestrichelt dargestellt. Die Wellenleiter haben ein stetig variierendes Brechzahlprofil, entsprechend der Dichte der eindiffundierten Ionen.

[0022] Die gestrichelte Linie repräsentiert die größte Halbwertsbreite des Brechzahlprofils. Im Bereich des Freiraums ergibt sich aufgrund des gezeigten Mittenabstands der Streifen 31-3i ein Schichtwellenleiter. Es ist daher auch ohne weiteres möglich, daß die Streifen der Maske im Bereich des Freiraums 3 beliebig, z.B. um 90°, gedreht sind.

[0023] Die Querschnittsdarstellungen der Figuren 2a-c verdeutlichen den Zusammenhang von Maske 4 und erzeugtem Wellenleiter im Glassubstrat 5. Die Darstellungen zeigen qualitativ den Zustand nach erfolgtem Ionenaustausch, vor Entfernen der Maske 4.

[0024] Figur 2a zeigt einen Querschnitt im Bereich der Eingangswellenleiter 11 und 12. Die Maske 4 hat freie Stege 11, 12 der Breite w. Diesen entsprechen Wellenleiter, d.h. Bereiche hoher Konzentration des ausgetauschten Ions, 511, 512, im Substrat 5. Diese sind gestrichelt eingezeichnet, wie in Figur 1.

[0025] Der Mittenabstand d der Stege 11, 12 ist groß gegen deren Breite w. Die Wellenleiter 511, 512 sind deutlich getrennt. Sie haben eine Breite b und eine Tiefe t von ca. b = 10 µm und t = 8 µm. Die Vergrabungstiefe v beträgt ca. v = 18 µm. Im Bereich des Freiraums 3 zeigt Figur 2b die Situation, die Streifen 31, 32, 33 haben bei gleicher Breite

wie oben einen deutlich geringeren Mittenabstand d_F, dieser ist nur noch etwa so groß wie die Breite b eines Wellenleiters 511, 512 der Figur 2a. Es entsteht daher beim Ionenaustausch ein gleichmäßiger Schichtwellenleiter 53 im Substrat, der den gesamten Freiraum 3 ausfüllt. Seine Tiefe t_F im Verhältnis zu Tiefe t des einzelnen Wellenleiters wird durch den Mittenabstand d_F der Streifen 31, 32, 33 gesteuert und kann dieser gleich gemacht werden:

. Dies ist optimal für das verlustarme Koppeln vom Eingangswellenleiter in den Freiraum und weiter in die Ausgangswellenleiter.

[0026] Dagegen zeigt Figur 2c das Ergebnis, wenn statt der gestreiften Maske gemäß der Erfindung für den Freiraum 3 einfach ein Freiraum 30 auf der Maske 4 vorgesehen wird: Im Substrat 5 entsteht ein Schichtwellenleiter 53c, dessen Tiefenprofil eine deutlich höhere Tiefe t_C aufweist. Damit entsteht an den Übergängen zu den Eingangs- und Ausgangswellenleitern (11-15; 21-2M) eine deutliche Stufe mit entsprechenden Verlusten.

[0027] Figur 3 zeigt einen 4 x 4 Multiplexer mit zwei Sternkopplern mit Freiräumen 531 und 532 und dazwischenliegendem Angereihte-Wellenleiter-Gitter AWG, wie er im Prinzip bekannt ist, z.B. aus den bereits zitierten US 5,412,744 und US 5,414,548. Neu ist das oben beschriebene Herstellverfahren und die damit erreichte Eigenschaft, daß die Schichtwellenleiter in den Bereichen der Freiräume 531 und 532 die gleiche Tiefe und Dicke aufweisen wie die Ein- und Ausgangswellenleiter 11 bis 14, 21 bis 2M und 41 bis 44.

[0028] Dargestellt sind auch zusätzliche stumpf endende Wellenleiter 1z und 2z jeweils neben den Wellenleitern 11 bis 14 und 21 bis 2M angeordnet Diese dienen dazu, bei den jeweils äußersten Wellenleitern 11, 14 und 21, 2M Randeffekte zu vermeiden. Die Darstellung ist quer gespreizt.

Tabelle 1

Designdaten Multiplexer
Anzahl der Ein- (11 - 14)/Ausgänge (41 - 44):	je 4
Anzahl der angereihten Wellenleiter (21 - 2M) des Gitters:	10 (noch besser 20)
Maskenbreite dafür:	w = 1,5 - 1,6 µm
Breite der einzelnen Wellenleiter:	b ≈ 10 µm
Tiefe der einzelnen Wellenleiter:	t ≈ 8 µm
Vergrabungstiefe:	v ≈ 18 µm
Radius der Freiraumzone:	2370,2 µm
Mittenabstand der Streifen der Maske für den Freiraum:	dF = 9 µm
Tiefe der Freiraumzone:	tF ≈ 8 µm
Längendifferenz benachbarter, angereihter Wellenleiter:	127,4 µm
Mittenwellenlänge λ0	1,552 µm
Kanalabstand	3,2 nm

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung integriert optischer Bauelemente mit Streifenwellenleitern (11-15; 21-2M)) und einem Schichtwellenleiter (53), dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (4) mit Gitterstruktur (3i) zur Erzeugung des Schichtwellenleiters (53) durch Ionenaustausch dient.

2. Verfahren zur Herstellung integriert optischer Bautelemente

- mit mindestens vier Streifenwellenleitern (11-15, 21-2M)

- und einem Freiraum (53) der als Schichtwellenleiter ausgebildet ist,

- wobei die Streifenwellenleiter (11-15, 21-2M) in den Freiraum (53) münden,

dadurch gekennzeichnet, daß Ionenaustausch mit einer Maske (4) erfolgt und die Maske (4) im Bereich des Freiraums (3, 53) eine Streifenstruktur (3i) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Substratmaterial Glas.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Maskenöffnungen (w) der Streifenwellenleiter (11-15, 21-2M) unter 3, vorzugsweise bei 1,5 bis 2,1 Mikrometern liegt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Enden der Maskenöffnungen (11-15, 21-2M) mindestens ein Kreis mit einem Durchmesser von mehr als dem Vierfachen der Breite der Maskenöffnungen (w) paßt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch die Ausbildung des Bauteils als Multiplexer/Demultiplexer mit Aufgereihter-Wellenleiter-Gitter (AWG) und Sternkopplern mit Freiräumen (531, 532).

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen- oder Gitterstruktur der Maske (4) im Bereich des Freiraums (3) die gleiche oder höchstens die 1,5-fache Breite der Maskenöffnungen (w_F) wie im Bereich der Streifenwellenleiter (w) aufweist.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen- oder Gitterstruktur (3i) der Maske (4) im Bereich des Freiraums (3) einen Mitten-Abstand (d_F) der Maskenöffnungen (3i) vom Zwei- bis Achtfachen der Breite der Maskenöffnungen aufweisen, vorzugsweise vom Sechs- bis Siebenfachen.

9. Integriert optischer Sternkoppler mit ionenausgetauschten Streifenwellenleitern (11-15, 21-2M) und einem ionenausgetauschten Freiraum (3, 53), in den die Streifenwellenleiter übergehen und mit einer Längenausdehnung des Freiraums (3, 53) in Ebenen parallel zur Substratoberfläche, die in jede Richtung größer ist als das Vierfache der Breite, insbesondere um ein bis drei Größenordnungen größer ist als die Breite des breitesten Streifenwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefenprofil des Freiraums im wesentlichen gleich ist dem Tiefenprofil der Streifenwellenleiter und höchstens die 1,2-fache Tiefe erreicht.

Zeichnung